城市地铁隧道施工对古建筑沉降的影响研究

唐海玥，靳炳强

(1.北京城市学院，北京 100083；2.中铁二十四局集团 浙江工程有限公司,浙江 杭州 310009)

城市地铁隧道施工过程中会引起地表沉降，并产生一定宽度沉降槽，为了分析城市地铁盾构隧道施工因素对地表建筑物沉降的影响，国内部分学者进行了相关研究，主要有：李泽荣[1]、金建峰[2]等结合某隧道施工，采FLAC3D软件建立地铁盾构施工过程的模型，并对开挖及变形进行仿真模拟，系统分析研究了盾构施工过程中引起的土体位移情况，并对对影响土体变形因素进行了分析；李超人[3]、郭乐[4]等结合某双线隧道施工，利用数值模拟和现场测试方法研究了盾构施工过程中建筑物及地表沉降变形特征，并根据同一建筑物不同部位的沉降差判定施工过程中建筑物安全性。丁万胜[5]、邱明明[6]等采用室内模型试验和FLAC3D数值分析软件相结合的方法，在模型隧道纵、横向设置位移监测点，监测地面沉降随开挖过程的变化规律，结果表明：沉降量随隧道深度的增加而减小，随掘进的进行而增加横向沉降量在隧道正上方最大，等等。本文主要采用大型有限元软件ABAQUS软件模拟城市地铁盾构隧道开挖诱发地表沉降规律，并针对开挖推进距离、开挖面支护以及地表建筑物刚度条件对古建筑地表沉降影响进行了详细分析，以期研究结果可为类似工程提供参考和借鉴。

1 工程概况

某城市地铁隧道工程采用盾构法施工，隧道中心埋深约20.3 m，隧道在该穿越区内主要为黄土，隧道某段上方为一古建筑物。其中杂填土主要以粘性土为主，并含有少量的砾石和灰岩，黄土呈现出黄褐色，其中含有少量的云母片和碎石。隧道外径为6.5 m，管片设计厚度为0.5 m，每隔1.5 m一环，隧道埋深在18.6～21.9 m范围内。

2 数值建模

2.1 模型建立

采用大型有限元软件ABAQUS软件进行模拟计算。隧道模型建立要考虑开挖影响范围，一般地下工程影响范围为3～5倍洞室内径，由图1所示，为隧道数值模型图。建立模型时x轴取100 m，y轴沿隧道轴线方向取90 m，z轴取60 m，隧道埋深取20.0 m。除上边界外，模型其它边界均设有法向约束并进行位移约束，文中采用摩尔-库伦本构模型。隧道洞径外径为6.5 m，盾构全长90 m，每隔1.5 m一环，共60环。隧道管片厚度为0.5 m，混凝土标号为C50，弹性模量取34.5 GPa。该研究区段内主要为黄土，表1为其岩体物理力学参数。

图1 数值模型图

表1 岩体的物理力学指标Table1 Physicalandmechanicalindicatorsofrockmass岩土层密度/(kg·m-3)体积模量/GPa剪切模量/GPa泊松比内摩擦角/(°)粘聚力/MPa黄土16506.562.850.292523

2.2 监测点布置

隧道施工过程中，为及时了解隧道开挖支护后各类参数变化情况，一般会在施工过程中布置多个监控点。监测分为两类，一是位移监测，主要为了掌握围岩变形情况；二是应力监测，主要监测锚杆、锚索以及壳体等轴力大小。不管是位移监测还是应力监测，其目的均为实时掌握支护效果，以便快速处理施工中出现的各种问题，保证隧道施工过程安全。该隧道位移监测点分别布置在拱顶、拱肩以及拱腰上，如图2所示，主要监测拱顶沉降位移和周边收敛的位移，通过对位移监测数据的收集、处理和分析来保证隧道施工过程中的安全可靠。

图2 现场监测点布置

3 数值结果分析

3.1 现场监测数据分析

如图3所示，为各监测点监测数据曲线图。各监测点在初期位移变化速率较快，到达某时间段以后，变化缓慢并最终趋于稳定。以拱顶沉降为例，在初期变化速率较大，从1～3 d，拱顶沉降平均速率为2.16 mm/d，累计沉降量为6.18 mm。从4～30 d，拱顶沉降速率略有减缓，此时间段内平均下降速率为0.57 mm/d，从30～60 d，拱顶沉降基本趋于稳定，为22.81 mm，表明围岩变形基本趋于稳定。此外，上测点和下测点收敛位移稳定值分别为15.25、8.14 mm。

图3 现场监测点位移-时间曲线

表2为各监测点现场监测位移与数值模拟位移对比表，由表2可知，对于拱顶沉降、上测点周边收敛位移和下测点周边收敛位移，实测数据分别比数值模拟数据大5.41%、13.21%和10.15%，由于现场施工条件比数值模拟更为复杂，且现场实测数据与数值模拟数据相差最大不超过15%，故结果是合理的，也说明数值模拟比较可靠。

表2 各测点数据对比Table2 Comparisonofdataofvariousmeasuringpoints监测点现场监测位移/mm数值模拟位移/mm拱顶22.8121.64上测点周边收敛15.2513.47下测点周边收敛8.147.39

3.2 施工诱发古建筑物地表沉降分析

施工过程中，诱发古建筑物地表沉降的因素有很多，不同施工条件下，地表沉降也存在差异。如图4所示，为盾构施工中单次不同推进尺寸下的地表沉降曲线，文中推进距离(T)分别取6、9、15、18 m进行分析。由图4可知，改变盾构施工推进距离，基本不会改变沉降槽的宽度，地表的最大沉降将略微发生变化。推进距离为6、9、15、18 m对应的最大地表沉降值分别为16.22、16.49、17.31、17.83 mm，相对于推进距离为6 m时，T取9、15、18 m时的地表最大沉降分别增大了1.7%、6.7%、9.9%。综上可知，增大盾构推进距离会增大古建筑物地表最大沉降值，但是增大幅度有限，当推进距离增大为原来的3倍时，古建筑物地表最大沉降增大幅度低于10%。

图4 不同推进尺寸下古建筑物地表沉降曲线

如图5所示，为盾构施工中不同开挖面支护力下的古建筑物地表沉降曲线，文中不同开挖面支护力(P)分别取0、0.5P0、1.0P0、1.5P0进行分析(文中P0是盾构开挖面中点的静止土压力，该值取120 kPa)。由图5可知，改变盾构施工开挖面支护力，地表沉降槽的宽度基本不发生改变，地表的最大沉降将发生变化。开挖面支护力为0、0.5P0、1.0P0、1.5P0对应的最大地表沉降值分别为13.08、12.63、11.66、10.92 mm，相对于开挖面支护力为0时，P取0.5P0、1.0P0、1.5P0时能使地表最大沉降分别降低了3.4%、10.9%、16.5%。综上可知，增大盾构开挖面支护力会明显减小地表最大沉降值，因此施工过程中可以适当采取增大开挖面支护力的方法来减小古建筑物地表沉降。

图5 不同开挖面支护力下古建筑物地表沉降曲线

图6 地表不同结构刚度下地表沉降槽曲线

隧道上方是天然地表和有建筑物存在时，会改变隧道开挖引起的地表沉降值和沉降槽宽度，这一点已被很多学者提到过[7-10]，为了研究建筑物不同结构刚度下地表沉降槽和沉降值变化规律，模拟中土体上部设计带有结构刚度的古建筑物，该古建筑物宽度为60 m，纵向长度与模型长度一致，通过改变其弹性模量来近似模拟不同结构刚度条件。如图6所示，将城市地铁盾构施工中地表不同结构刚度下的地表沉降曲线绘制出，文中不同结构刚度(K)分别取0、100、1 000、10 000 MPa进行分析。由图6可知，改变不同结构刚度，地表沉降槽的形状将发生改变，地表的最大沉降也同样发生较大的变化。只考虑刚度体范围内，增大结构刚度，会使得地表沉降槽宽度减小，但是地表沉降将发生较大的变化。结构刚度为0、100、1 000、10 000 MPa对应的最大地表沉降值分别为23.17、21.45、19.87、17.46 mm，相对于结构刚度为0时，K取100、1 000、10 000 MPa时的能使地表最大沉降分别降低了7.4%、14.2%和24.6%。综上可知，城市地铁隧道上方存在古建筑物能明显减小地表最大沉降值，但地表沉降槽宽度也相应增加，因此施工过程中若盾构上方存在古建筑物，应进行特殊考虑。

4 结论

主要采用大型有限元软件ABAQUS软件模拟城市地铁盾构隧道开挖诱发古建筑物地表沉降规律，并针对开挖推进距离、开挖面支护以及地表建筑物刚度条件对古建筑物地表沉降影响进行了详细分析，得到以下结论：

a.拱顶沉降、上测点周边收敛位移和下测点周边收敛位移，实测数据分别比数值模拟数据大5.41%、13.21%和10.15%，这与现场施工条件比数值模拟更为复杂有关，且现场实测数据与数值模拟数据相差最大不超过15%，故结果是合理的，也说明数值模拟比较可靠。

b.增大盾构推进距离会加大古建筑物地表最大沉降值，但是增大幅度有限，当推进距离增大为原来的3倍时，古建筑物地表最大沉降增大幅度低于10%；增大盾构开挖面支护力会明显减小古建筑物地表最大沉降值，因此施工过程中可以适当采取增大开挖面支护力的方法来减小古建筑物的沉降。

c.盾构上方地表存在古建筑物能明显减小地表最大沉降值，但地表沉降槽宽度也相应增加，因此施工过程中若盾构上方存在古建筑物，应进行特殊考虑。